Z E I T L Ä U F T E Der Blick ins Nichts

Galilei, Herschel, Hubble: Eine kurze Geschichte des Fernrohrs nebst einer Vorausschau in künftige Sternkuckerwelten

Der 7. Januar 1610 war ein bedeutender Tag für die Menschheit. Denn am Abend dieses 7. Januars setzte sich Galileo Galilei, Professor der Mathematik in Padua, zum ersten Mal an sein selbst gebasteltes Fernrohr. Es war nicht das erste Fernrohr überhaupt, wie manchmal zu lesen steht. Das hatte schon zwei Jahre zuvor der flämische Brillenmacher Hans Lipperhey (oder auch Lippersheim) gebaut. Galilei war die Sache zu Ohren gekommen, und er hatte sich sofort darum bemüht, die Prinzipien der Konstruktion herauszufinden. Es gelang ihm denn auch in kürzester Zeit. Und sein Gerät war um vieles besser als das flämische Original.

Die theoretischen Grundlagen zum Bau eines "Fernglases" hatte allerdings schon drei Jahrhunderte zuvor der Engländer Roger Bacon (1219 bis 1292) ausgearbeitet, der Erfinder der Brille. Die Brille wäre demnach eine Art Urteleskop. Brillenträger sind Minimalastronomen. Bacon hatte dargelegt, wie eine Linse zu formen sei, "damit sie uns die Sterne nach Belieben nahe bringt". Sie müsse nur alle von einem fernen Gegenstand ausgesandten Lichtstrahlen in einem Punkt vereinen, um sie von dort durch die Pupille des Auges auf die Netzhaut desselben zu führen. Bacon hatte eigentlich nur das Prinzip des Hörrohrs ins Optische übertragen - ein simpler und gerade deshalb so genialer Gedankenschritt.

Der letzte große Himmelsforscher, der seine astronomischen Beobachtungen noch ganz ohne Fernrohr durchgeführt hatte, war übrigens der Däne Tycho Brahe gewesen, geboren 1546 im südschwedischen Knudstrup, gestorben 1601 in Prag. Dennoch lieferten seine erstaunlich präzisen Messungen, die er schon als junger Mann mit einem großen, von ihm selbst gebauten Quadranten aus Holz und Messing durchführte, die empirische Grundlage für Keplers Gesetze der Planetenbewegungen. Damit bereitete er den endgültigen Triumph des heliozentrischen Weltbildes vor, obwohl er zeitlebens ein Gegner der kopernikanischen Lehre blieb.

Goethe mag nicht einmal Brillen

Brahe war ein Astronom im Zwischenreich, eine romantische Figur, wenn man so will: Geistig noch tief im Mittelalter wurzelnd, zeigt sich in seinem Bemühen um äußerste wissenschaftliche Exaktheit bereits der Geist der Moderne. Und es liegt eine anrührende Tragik in dieser historischen Situation - wäre er nur zehn Jahre älter geworden, hätte er das Teleskop, das neue Wundergerät, gewiss ausprobiert.

Als Galilei, eine knappe Generation jünger als Brahe, sein Fernrohr baute, war er schon ein berühmter Mann. Seit 18 Jahren hielt er Vorlesungen an der Universität von Padua - ein begnadeter Lehrer, ein glänzender Redner. So breitete sich die Kunde von seinen astronomischen Beobachtungen im Eiltempo über das ganze Land aus, und sehr bald kursierten die fantastischsten Geschichten. Es hieß, mit dem Fernrohr könne man Gott selbst hinter den Sternen schauen. Schließlich wurde Galilei nach Venedig gerufen, um sein mirakulöses Instrument dem Dogen und dem Senat vorzuführen. Die Venezianer wurden Zeugen eines sonderbaren Schauspiels: Da kletterten selbst noch die greisesten Senatoren auf den höchsten Kirchturm der Stadt, um von dort durch das magische Glas nach Schiffen Ausschau zu halten, die, weit draußen auf dem Meer, keiner mehr mit bloßem Auge erkennen konnte. Die Senatoren waren begeistert, der Doge auch.

In Italien brach das Fernrohrfieber aus. Immerhin vermochte Galileis bescheidenes Gerät hundertmal mehr Licht von einem entfernten Objekt einzufangen als das bloße Auge: Ein Gegenstand konnte auf 50 Kilometer Entfernung schon so deutlich gesehen werden, als wäre er nur 5 Kilometer entfernt. Plötzlich hatte die Wirklichkeit keine festen Grenzen mehr! Ja, was sie war, ihre Dimensionen, ihre Gestalt, hing davon ab, womit man sie betrachtete. Das Fernglas wurde zum modischen Spielzeug. Galileis Ruhm veranlasste sogar Papst Paul V., den Wissenschaftler mit Ehren zu empfangen. Da ahnten die Herren der Kirche noch nicht, welch große Gefahr für ihr Weltbild von den Entdeckungen dieses Mannes ausging.

Der geniale Astronom hatte sehr schnell erkannt, dass sein Instrument ein Mittel war, mit dem sich die Theorien der Zeit auf ihre Richtigkeit überprüfen ließen. Er brauchte es zum Beispiel nur auf die Milchstraße zu richten, und schon löste sich der ganze Wust von Legenden und Fabeln über ihre Natur in nichts auf: Die Milchstraße war bloß ein Schwarm von Sternen.

Der Blick durchs Fernrohr zerstörte nicht nur kosmologische Fabelwelten, sondern eine ganze, bis dahin unerschütterlich scheinende Astronomie, die seit Aristoteles gültig gewesen war und die für die Kirche eine Säule ihrer Theologie darstellte: die Erde als Zentrum der Welt, um das alle Himmelskörper kreisen. Galileis Fernrohr zeigte nun jedermann, dass das geozentrische Weltbild nicht stimmte. Damit musste aber auch die Theologie, die auf diesem falschen Weltbild ruhte, falsch sein.

Gerade die Beobachtung der vier großen Jupitermonde, die auf einmal möglich war, stützten das heliozentrische Weltbild auf schlagende Weise. Die vier Monde wechselten von Nacht zu Nacht ihre Positionen, woraus zu schließen war, dass sie sich in Bahnen um den Jupiter bewegten. Also gab es im Weltraum ein kleines Abbild des Sonnensystems, es gab Himmelskörper, die nicht um die Erde kreisten. Das aber durfte es nach dem geozentrischen Weltbild nicht geben.

Genau ein Jahr nach Galileis Tod, also 1643, wurde Isaac Newton geboren. Seine epochale Leistung bestand darin, Galileis dynamische Gesetze bewegter Körper und seine astronomischen Beobachtungen mit Keplers Gesetzen der Planetenbewegungen zu verknüpfen und daraus als Synthese das allgemeine Gravitationsgesetz zu entwickeln. Newtons Genie war von universeller Natur. Seine Hauptleistung betraf das Gebiet der theoretischen Physik; doch auch seine Beiträge zur astronomischen Beobachtung waren von nachhaltiger Wirkung.

Schon im Jahr 1668, also mit 25 Jahren, hatte er sein erstes Teleskop gebaut, von dem er, unbescheiden, wie es dem Genie zusteht, meinte, "es sei der Inbegriff von dem, was überhaupt gemacht werden könne". Er strafte allerdings drei Jahre später sein souveränes Selbstlob Lügen, als er ein verbessertes Gerät fertig stellte. Damit machte der junge Wissenschaftler großen Eindruck auf die Gelehrten Englands. Auch der König, ein enthusiastischer Förderer der Wissenschaften, war beeindruckt.

Doch es bedurfte erst des Genies eines Außenseiters und Autodidakten, um ein wirklich leistungsfähiges, die astronomische Forschung revolutionierendes Teleskop zu entwickeln. Der Mann hieß Wilhelm Herschel. 1738 in Hannover geboren, verließ er in jungen Jahren Deutschland, um in England als Musiker sein Glück zu versuchen. Bis dahin war er ein kleiner Oboist der Hannoverschen Garde zu Fuß gewesen. Mit seinem Talent brachte er es immerhin schon nach wenigen Jahren zu einer Organistenstelle in Halifax, kurz darauf dann an der Octagon Chapel in Bath. Doch in der Lebensmitte entdeckte er sein Interesse für die Optik, schließlich für deren praktische Anwendung in der Astronomie.

Herschel lieh sich ein Spiegelteleskop und beschloss kurz darauf, selber eines zu bauen, und zwar nach dem Prinzip, das Newton entwickelt hatte. In seinem Haus richtete er sich kurzerhand eine komplette Schmelzwerkstatt ein, um eigenhändig die Spiegelrohlinge aus Metall herzustellen. Im November 1778 goss er aus einer Legierung von Zinn und Kupfer einen sehr guten Spiegel von über zwei Meter Brennweite. Mit dem damit bestückten Teleskop entdeckte er in der Nacht vom 13. auf den 14. März 1781 einen neuen Planeten, für den er zu Ehren des englischen Königs den Namen Georgium Sidus vorschlug. Später wurde der Name in Uranus abgeändert. Herschel war mit einem Schlag weltberühmt.

Dem Mann aus Hannover gelang als Erstem die Beobachtung von Doppelsternsystemen, also von zwei Sternen, die einander eng umrunden. In Zusammenarbeit mit seiner Schwester Caroline, die selbst eine hervorragende Astronomin war (ZEIT Nr. 11/00), hat er insgesamt 848 Doppelsterne gefunden und katalogisiert. Herschel hat mit seiner akribisch genauen Forschung auch wichtige theoretische Ansätze geliefert, auf denen die Astronomen des 20. Jahrhunderts aufbauen konnten.

Einem allerdings war das ziemlich egal: Johann Wolfgang Goethe in Weimar. Er mochte keine Teleskope, keine Mikroskope, nicht einmal Brillen. Er wollte von der Welt nur das sehen, was seine Augen ohne jedes Hilfsmittel erfassen konnten. Goethe ging es um Gestalten, nicht um Strukturen. Der Schleier vor den Dingen war ihm heilig. Denn hinter den Schleiern der Natur vermutete der Dichter die "Urphänomene", und diese sollten vom Menschen unangetastet bleiben. Nur so könne die Natur ihren Zauber, und das heißt ihre Kraft, bewahren.

Für die Wissenschaft blieb das natürlich Poesie. Sie schaute weiter durchs Glas. Zwar machte die Teleskoptechnik im 19. Jahrhundert keine nennenswerten Fortschritte mehr, dennoch konnte am 23. September 1846 ein weiterer Planet, der Neptun, vom Berliner Astronomen Johann Gottfried Galle aufgespürt werden.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts übernahmen Wissenschaftler der Vereinigten Staaten die Führung auf dem Feld der beobachtenden Astronomie. Im Jahr 1928 legte der Konstrukteur George E. Hale den Plan für ein 5-Meter-Teleskop vor. Mit ihm sollte es möglich sein, 10 Milliarden Lichtjahre weit in den Kosmos zu blicken. Es dauerte zwei Jahrzehnte, bis das riesige Himmelsokular auf dem Mount Palomar in Kalifornien betriebsfertig war. Mit ihm schien die äußerste Grenze für starre Glasspiegel erreicht zu sein. Noch größere würden sich unter ihrem tonnenschweren Eigengewicht verbiegen.

Ein 5-Meter-Teleskop ist in der Lage, Objekte im Universum zu registrieren, die so schwach strahlen wie eine Kerzenflamme in 5000 Kilometer Entfernung. Aber damit waren die Astronomen natürlich nicht zufrieden. Astronomen sind nie zufrieden. Also suchten sie nach neuen Techniken, um die "Sehschärfe" zu steigern. Die fortwährende Vergrößerung des Spiegels war dabei nicht der einzige Weg, mehr Licht pro Zeiteinheit von einem weit entfernten Himmelsobjekt einzufangen. Die "Sehschärfe" eines Teleskops wird auch entscheidend durch den Schleier der Erdatmosphäre beeinflusst. Die atmosphärischen Störungen lassen sich zwar dadurch vermindern, dass man die Observatorien auf möglichst hohen Bergen installiert und in Gegenden, die sich durch besonders klare, das heißt trockene Luft auszeichnen. Dennoch bleiben auch im Idealfall Unschärfen, die durch turbulente Luftschichten hervorgerufen werden. Was liegt also näher, als Fernrohre außerhalb der Erdatmosphäre arbeiten zu lassen? Dort würden merklich kleinere Geräte die gleichen Leistungen erbringen wie die großen erdgebundenen. Man könnte auch unabhängig von Wetter und Wolken rund um die Uhr beobachten. Im Grunde spricht nur eines gegen Weltraumteleskope: die astronomischen Kosten.

Drei Milliarden Mark verschlang das Hubble-Space-Telescope (HST) mit seinem 2,4-Meter-Spiegel, das am 25. April 1990 von der Raumfähre Discovery in rund 600 Kilometer Höhe über der Erde ausgesetzt wurde. Von Anfang an gab es Pannen mit dem HST, doch diese konnten alle gemeistert werden, und schließlich lieferte es Bilder von einer bis dahin nicht gekannten Schärfe. Einen Höhepunkt in der Arbeit des HST brachte der Januar 1996. Zehn Tage hintereinander wurde das Weltraumteleskop auf ein und dieselbe Stelle im Weltall gerichtet, um von dort so viel Licht wie möglich einzufangen. Einige der beobachteten Objekte - allesamt Galaxien - waren so lichtschwach, dass man sie noch nie zuvor gesehen hatte. Diese Galaxien, die sich buchstäblich am Rand des Universums befinden - man könnte auch sagen: ganz nahe am Urknall -, sind vier Milliarden Mal lichtschwächer als ein Stern, der gerade noch mit bloßem Auge zu sehen ist. Das HST hatte gewissermaßen ein winziges Loch in den Himmel gebohrt, zu vergleichen mit einer geologischen Bohrung. Und wie bei einem Bohrkern zeigte diese "kosmologische Bohrung" nun in Gestalt eines Fotos einen winzigen Ausschnitt des Universums: etwa 2000 Galaxien waren zu erkennen. Hochgerechnet ergab sich daraus für den ganzen Kosmos die unvorstellbare Zahl von mindestens 50 Milliarden Galaxien.

Der Traum vom Superglas

Man sollte nun allerdings nicht meinen, dass es nach diesen Weltraumabenteuern uninteressant geworden wäre, erdgebundene Instrumente weiterzuentwickeln. Ein Fernrohr auf der Erde besitzt den großen Vorteil, dass Defekte leicht behoben und zu jeder Zeit die neuesten Detektoren für die Auswertung der eingegangenen Signale eingesetzt werden können. Hingegen sind bei Weltraumteleskopen, die über einen Zeitraum von etwa zehn Jahren geplant und gebaut werden, die Detektoren schon beim Start veraltet.

So wurde im Zentrum der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Garching bei München das so genannte Very Large Telescope (VLT) entwickelt, das im Jahr 2000 auf einem Berg in Chile seinen Betrieb aufnahm. Das VLT besteht aus vier Spiegeln, von denen jeder einen Durchmesser von fast zehn Metern hat. Ein computergesteuertes Unterstützungssystem gleicht ständig die Verbiegungen der Spiegel aus, die durch das Eigengewicht entstehen. Jeder Spiegel kann einzeln ins All schauen, aber sie lassen sich auch miteinander koppeln. Doch so weit ist es noch nicht. Vorerst sind erst zwei der vier Spiegel zusammengeschaltet, um damit gleichzeitig Sterne und andere Himmelsobjekte zu beobachten.

Das Verfahren, das dabei angewendet wird, nennen die Astronomen Interferometrie. Seine praktische Umsetzung erfordert eine unglaubliche Präzision, für die erst nach und nach die technischen Grundlagen geschaffen werden müssen. Die Strahlengänge mehrerer Teleskope müssen über Spiegelsysteme in einen Tunnel geleitet und dort zusammengeführt und in einer Kamera in einem Punkt überlagert werden. Das funktioniert nur, wenn alle Lichtwege bis auf einen tausendstel Millimeter gleich lang sind. Weil sich aber der Sternenhimmel während der Beobachtungszeit durch die Erddrehung über die Teleskope hinweg dreht, ändert sich die Weglänge der Lichtstrahlen ständig. Ohne Korrektur sind keine scharfen Aufnahmen möglich. Diese Korrektur leistet ein Spiegel, der im Strahlengang montiert ist und so bewegt wird, dass die Lichtwege der gekoppelten Teleskope immer gleich lang sind.

Endlich den Urknall sehen

In einigen Jahren wird es möglich sein, die vier Großteleskope des VLT und drei kleinere zu einer Einheit zusammenzuschließen. Dadurch wird die "Sehstärke" derart erhöht sein, dass sich sogar Planeten ferner Sterne direkt beobachten lassen. Um dies zu ermöglichen, muss das VLT allerdings noch mit einer weiteren Technik ausgestattet werden, der so genannten adaptiven Optik. Mit ihr können die Verzerrungen des einfallenden Lichts, hervorgerufen durch die Turbulenzen in der Erdatmosphäre, ausgeglichen werden. Das geschieht mithilfe eines Spiegels im Fernrohr, an dessen Rückseite mechanische Stößel sitzen. Diese so genannten Aktuatoren verformen die Oberfläche des kleinen Spiegels im Strahlengang bis zu tausendmal pro Sekunde und gleichen so die Verzerrungen aus. Bislang ist das VLT noch nicht mit dieser komplizierten adaptiven Optik ausgestattet. Denn für ein Teleskop von nahezu 10 Meter Durchmesser braucht man mehrere hundert Aktuatoren, die alle präzise gesteuert werden müssen. Und dazu bedarf es wiederum Supercomputer, die erst noch entwickelt werden müssen.

Obwohl also beim VLT noch längst nicht alle seine Möglichkeiten ausgeschöpft sind, plant die ESO bereits das nächste, noch größere erdgebundene Fernrohr. Einen Namen hat es schon: OWL. Das ist das Kürzel für Overwhelmingly Large Telescope (überwältigend großes Teleskop). Es soll einen Spiegeldurchmesser von hundert Metern haben und die Ausmaße der Cheops-Pyramide. Kosten soll es zwei Milliarden Mark. Es wird zehnmal mehr Licht einfangen können als alle Großteleskope der Welt zusammen. Mit dieser ungeheuren Lichtausbeute könnte das OWL extrem lichtschwache Objekte erspähen, die 13 Milliarden Lichtjahre entfernt, also "kurz" nach dem Urknall entstanden sind.

Auf irdische Verhältnisse übertragen, hätte das OWL eine Sehschärfe, die es ermöglichte, die Augen einer Fliege in tausend Kilometer Entfernung zu unterscheiden. Im Jahr 2005 soll mit dem Bau dieses Superteleskops begonnen werden, und 2015 soll es den ersten Blick auf die Frühphase des Kosmos ermöglichen.

Nach derzeitigen Plänen soll auch das Hubble-Weltraumteleskop im Jahr 2009 von einem Nachfolgegerät abgelöst werden, dem NGST (Next Generation Space Telescope). Es wird mit acht Meter Durchmesser so groß sein, dass es nur im zusammengeklappten Zustand in eine Trägerrakete passt und sich erst im Weltraum entfalten wird. Im Gegensatz zum HST soll das NGST in großer Entfernung zur Erde stationiert werden, nämlich etwa 1,5 Millionen Kilometer weit weg, also etwa im vierfachen Abstand der Erde zum Mond. Eine Wartung durch Astronauten wie beim HST kann es dann nicht mehr geben. Das NGST wird eine zehnmal höhere Lichtsammelfläche haben als das HST, was zum Beispiel im infraroten Wellenlängenbereich eine tausendmal größere Empfindlichkeit bewirkt.

Aber auch das wird gewiss nicht das letzte Fernrohr sein, das sich die Astronomen bauen, um endlich den ganzen Weltraum zu durchschauen. Im Grunde wünschen sie nichts sehnlicher, als den Urknall selbst zu sehen, mit dem vor etwa 15 Milliarden Jahren die Welt begann. Dazu bedarf es eines Teleskops, mit dem man 15 Milliarden Lichtjahre tief ins Universum schauen kann und damit zurück in die Zeit.

Doch der Urknall, das weiß jeder, wird niemals sichtbar sein, da er gleichsam hinter einem undurchdringlichen Schleier extrem heißer Strahlung verborgen liegt, den das menschliche Auge auch mit dem stärksten optischen Hilfsmittel niemals durchdringen kann. Der Schöpfer, so scheint's, hat kein Interesse daran, dass ihm der Mensch beim Schöpfungsakt zuschaut. Der Urknall unterliegt der göttlichen Zensur. So wird der tiefste Blick ins Universum vermutlich ein Blick ins Nichts sein.